书城童书我的第一本环境科学探索发现
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第8章 科学家的故事(8)

如同哥白尼“日心说”和达尔文《物种起源》的问世遭到世俗的攻击一样,1962年《寂静的春天》出版之初,也遭到了猛烈的抨击。那些靠牺牲环境谋求经济利益的人首先跳出来,指责卡森是“煽情”和“歇斯底里”,说她“危言耸听”,甚至因为她的性别质疑她的研究结果和能力。虽然阻力重重,但《寂静的春天》就像黑暗中的“一声呐喊”,唤醒了广大民众,也得到了一些有良知的科学家和民众的支持。当时在任的美国总统肯尼迪读过此书之后,立即责成“总统科学顾问委员会”对书中提到的化学物进行试验,来验证卡逊的结论。当时,美国的公共政策中还没有“环境”这一项,但卡逊在她书中所提出的环境污染问题被证实之后,仅至1962年年底,就有40多个提案在美国各州通过立法,以限制杀虫剂的使用。非常难得的是,曾获得诺贝尔奖的DDT和其他几种剧毒杀虫剂终于从生产与使用的名单中彻底地被删除。与此同时,《寂静的春天》还成为促使环境保护事业在美国和全世界迅速发展的导火线。由于卡逊的努力,一些鸟类不再处于绝迹的边缘,春天不再寂静,数不清的人保住了生命。可以说,卡逊成功地将一本论述死亡的书变成了一曲生命的颂歌。

《寂静的春天》出版两年之后,身患癌症的卡逊心力交瘁,与世长辞。作为一个学者与作家,卡逊所遭受的诋毁和攻击是空前的,但她所坚持的思想终于为人类环境意识的启蒙点燃了一盏明亮的灯。在《寂静的春天》作为环保运动的里程碑而被公认是20世纪最具影响力的书籍之一的同时,卡逊于1990年被选为20世纪100名最重要的美国人之一。

智慧人生

真正的爱,应该超越生命的长度、心灵的宽度、灵魂的深度。正因为卡逊全身心地爱着这个世界,所以她用自己手中的笔向全世界人民宣传环境保护,在实验和理论上为生态学的发展奠定了坚实的基础。她的爱心以及她对真理的不懈追求的精神,永远激励着后人。

林德曼和“十分之一定律”

地球上生存着种类繁多的动植物和微生物,它们和地球上的大气、水及土壤共同组成一个巨大的生态系统。在这个生态系统中,任何生物的生存都不是孤立的:同种个体之间有互助有竞争;植物、动物、微生物之间也存在复杂的相生相克关系。随着人类活动范围的扩大与多样化,人类与环境的关系问题越来越突出,“生态”成为科学界关注的对象。“生态学”一词是德国生物学家海克尔于1866年提出的,但真正使生态学成为一门独立学科的最大功臣,是美国年轻的生态学家林德曼。

林德曼是美国耶鲁大学的毕业生。1939年,他在明尼苏达州对一个衰老湖泊——赛达伯格湖进行了3年定位研究,以弄清各种生物之间的关系。期间,他积累了大量的资料和数据,就是没有理出一个科学的头绪。后来,林德曼无意中从中国同学那里得到启发,一句最普通的中国谚语“大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米,虾米吃稀泥”,使他茅塞顿开。他从食物链和能量转换的角度揭开了生态系统的奥秘:在我们生存的生态系统中,一种生物以另一种生物为食,另一种生物再以第三种生物为食,彼此形成一个以食物联接起来的链锁关系,称为食物链。在食物链中,绿色植物和浮游生物是能量的储存者,吃植物和浮游生物的动物是一级消费者,吃植物和动物的肉食动物是二级消费者,还可以有三级、四级消费者。不过,生物之间的这种不断循环的能量物质在转移的过程中并不是百分百的。比如,绿色植物中的能量物质就不能被草食动物百分之百地利用,不仅植物的根茎、果壳、枯枝败叶不能被完全吃掉,而且还会有一部分由于不能被完全消化而成为粪便排出体外,很大一部分白白地浪费掉。一级生物的能量物质通常只有1/10左右转移到下一级生物体内,能量的利用率仅为1/10,其余的9/10能量就损失掉了。林德曼把生态系统中能量的不同利用者之间存在的这种必然的定量关系,叫做“十分之一定律”。

1941年,林德曼发表了《一个老年湖泊内的食物链动态》的研究报告,提出了生态学上著名的“十分之一定律”。人们发现,如果把食物链各种生物之间的关系表现在图上,用横坐标表示生物量,在纵坐标上把食物链中各级消费者的数量依次逐级标出,那么,整个图形竟然与埃及金字塔的形状相似,因此,人们又把“十分之一定律”称作“能量金字塔定律”。在“能量金字塔”里,塔的底部是能进行光合作用并把太阳能转化成化学能的绿色植物和浮游生物,它们是整个生态系统的能量储存库中的能量生产制造者,再往上是吃素食的草食动物,是第一级消费者,然后是吃草食动物的第二级消费者;再往后是第三、第四级消费者,它们是吃食肉动物和植物的凶禽猛兽。

1943年,林德曼发表了他的第一篇论文——《食物链和金字塔营养级的研究报告》,说明了生态系统中能量与物质的流动在不同的营养级之间存在的定量关系,是维持所有生态系统稳定的重要因素。

林德曼的理论引起了轰动,被生物界公认为奠定了生态系统的理论基础。不幸的是,这位才华横溢的科学家26岁就过早地与世长辞了,生态系统的研究也一度沉寂下来。直到20世纪60年代,环境污染空前严重,为了挽救环境危机,人们才重新发现生态系统的研究是保护环境、造福人类的科学依据。

智慧人生

有志不在年高,青少年是最有创新活力的一个群体。林德曼的故事告诉人们:只要肯多下工夫,实实在在地学到观察世界、分析问题、提出见解的本领,即便是年轻人,也能抓住难得的机遇,实现理想,作出重大的科学贡献。

朗缪尔发明“人工降雨”

自古以来,人们就幻想能凭借人工的方法来影响天气,甚至达到呼风唤雨的目的。不过受当时科学水平的限制,往往是一种不切实际的奢望。直到19世纪末叶和20世纪初,才出现了许多人工影响天气的大胆尝试。但因当时人们对成云致雨的云雾微观物理过程仍十分茫然,所以往往凭主观臆测,带有很大的盲目性,以致试验收效甚微,甚至完全失败。但这一历史阶段却为以后人工影响天气的发展开拓了道路。随着科学技术的发展,现在每当炎热酷暑、土地干裂、庄稼缺水枯萎时,人们就利用人工降雨的方法,使天空下起雨来。那么,这种人工降雨的方法,是怎么发明的呢?

1933年,瑞典气象学家贝吉隆在云中降水形成机制方面提出,云中较少的冰晶只要有较多的微滴来供应水分,冰晶就能增长到形成降水的程度。这一冰晶过程,人们称之为“贝吉隆过程”,此论点后来成为进行人工降雨和消散冷云的理论基础。首次实现人工降雨的是曾获得1932年诺贝尔化学奖的美国科学家欧文·朗缪尔。

1881年1月31日朗缪尔出生于纽约布鲁克林的一个贫民家庭。因家境贫寒,朗缪尔从小就帮助父母操持家务,但他对自然科学极感兴趣,常常利用劳动之余看书学习。1903年,朗缪尔毕业于哥伦比亚大学矿业学院,后到德国格丁根大学留学,于1906年获得哥丁根大学的哲学博士学位,同年秋天,赴新泽西州史蒂文森理工学院任教。

朗缪尔十分理解干旱季节时农民盼雨的心情。面对农民求雨的目光,面对茫茫无际的蓝天,作为一名科学家,他进行了理智而科学的探索,终于搞清了其中的奥秘。原来,地面上的水蒸汽上升遇冷凝聚成团便是“云”。云中的微小冰点直径只有001毫米左右,能长时间地悬浮在空中,当它们遇到某些杂质粒子(称冰核),便可形成小冰晶,而一旦出现冰晶,水汽就会在冰晶表面迅速凝结,使小冰晶长成雪花,许多雪花粘在一起成为雪片,当雪片大到足够重时,就从高空滚落下来,这就是降雪。若雪片在下落过程中碰撞云滴,云滴凝结在雪片上,便形成不透明的冰球,称为雹。如果雪片下落到温度高于0℃的暖区,就融化为水滴,下起雨来。但是,有云未必就下雨,这是因为云中冰核并不充沛,冰晶的数目太少了。当时,在人们中流行着一种观点:雨点是以尘埃的微粒为“冰晶”,若要下雨,空气中除有水蒸汽外还必须有尘埃微粒。这种流行观点严重地束缚着人们对人工降雨的实验与研究,因为要在阴云密布的天气里扬起满天灰尘谈何容易。

朗缪尔是个治学严谨、注重实践的科学家。1909年,他来到通用电气公司在纽约东部的斯克内克塔迪电气工程实验所工作。在他的实验室里保存有人造云,这就是充满在电冰箱里的水蒸汽。朗缪尔想方设法,使冰箱中水蒸汽与下雨前大气中水蒸汽情况相同。他还不停地调整温度,加进各种尘埃进行实验。1946年7月的一天,骄阳当空,酷热难熬。朗缪尔正紧张地进行实验,忽然电冰箱不知因何故障而停止制冷,冰箱内温度降不下去。他决定采用干冰降温。固态二氧化碳气化热很大,在零下60℃时为872卡/克。常压下能急剧转化为气体,吸收环境热量而制冷,可使周围温度降到-78℃左右。当他刚把一些干冰放进冰箱的冰室中,一幅奇妙无比的图像出现了:小冰粒在冰室内飞舞盘旋,霏霏雪花从上落下,整个冰室内寒气逼人,人工云变成了冰和雪。

朗缪尔分析这一现象认识到:尘埃对降雨并非绝对必要,干冰具有独特的凝聚水蒸汽的作用,即作为“种子”的云中冰晶或冰核。温度降低也是使水蒸汽变为雨的重要因素之一,他不断调整加入干冰的量和改变温度,发现只要温度降到零下40℃以下,人工降雨就有成功的可能。朗缪尔发明的“干冰布云法”是人工降雨研究中的一个突破性的发现,它摆脱了旧观念的束缚。有趣的是,这个突破性的发明,是于炎热的夏天在电冰箱内取得的。朗缪尔决心将“干冰布云法”应用于人工降雨的实践。

1946年,朗缪尔已是66岁的老人,但他仍像年轻人一样燃烧着探索自然奥秘的热情。一天,在朗缪尔的指挥下,一架飞机腾空而起,飞行在云海上空。试验人员将207公斤干冰撒入云海,就像农民将种子播下麦田。30分钟以后,狂风骤起,倾盆大雨洒向大地。第一次人工降雨试验获得成功。

朗缪尔开创了人工降雨的新时代。根据过冷云层冰晶成核作用的理论,科学家们又发现可以用碘化银等作为“种子”进行人工降雨。而且从效果看,碘化银比干冰更好。碘化银可以在地上撒播,利用气流上升的作用,飘浮到空中的云层里,比干冰降雨更简便易行。从此,碘化银作为人工降雨的催化剂,很快得到了推广。时至今日,人工降雨已不是很困难的事情了。

智慧人生

在向未知领域进军的过程中,不论是谁都可能会出现多次的失败,但在失败中往往会孕育着“偶然”的发现,其实,这样的偶然其实都是必然的。只有像朗缪尔探索人工降雨原理一样,主动去寻找制造必然的机会,“偶然”才可能成为“必然”。

我国现代气象学奠基人竺可桢

虽然我国古代劳动人民为战胜自然灾害在气象方面积累了大量宝贵经验,但真正使气象知识上升为科学并能依此做出较准确的预报,还是近现代的事。竺可桢是中国现代气象科学的奠基人。

竺可桢生于1890年,是浙江省上虞县人。竺可桢的幼年正值中华民族处于内乱外侮交织的时代。他自幼便渴求知识,期望国家富强。1910年,竺可桢远渡重洋,来到美国伊利诺大学农学院学习。毕业后,他又选择与农业生产密切相关的气象学作为攻读对象,进入蜚名国际的哈佛大学。

竺可桢的家乡属多台风区,他自幼便体会到劳动人民饱受台风灾害之苦。因此,当他开始攻读气象学以后,就开始了台风研究。他在《远东台风的新分类》和《台风的源地与转向》两文中,首先剖析了外国学者分类的优缺点,又分析了从1904~1915年间247个台风的季节分布源地及路径与转向地点,进而提出了台风分类的新原理,还将台风分为6大类型:中国台风、日本台风、印度支那台风、菲律宾台风、太平洋台风、南海台风,这是中国人最早所作的台风分类。当时台风强度尚无被人们所公认的量度指标,竺可桢首先提出以风速等级作为划分台风强弱的指数,这一思想一直为后人研究台风强度所遵循。目前国际上的规定也是以风速大小来判断是否为台风和台风的强度的。

季风是我国最重要的气候现象,它的态势确定了我国雨季的形势,其变化主宰了农作物的旱涝,因而受到竺可桢的高度重视。1916年,竺可桢通过潜心研究发表了第一篇气象论文——《中国之雨量及风暴说》,阐明了季风是海陆热力性质不同的产物,对我国雨量分布有重要意义,开创了我国季风气候学的研究。

1918年,已经获得哈佛大学博士学位的竺可桢抱着“科学救国”的美好憧憬返回了祖国,先后在武昌高等师范学校和南京高等师范学校任教。1928年初,他在南京出任气象研究所筹备处主任。这时,中国自己的气象机构寥寥无几,又大多奄奄一息,无所作为,而在我国沿海、沿江的口岸及岛屿上海关附设的几十个气象测报点,都归英帝国主义所控制,在上海、青岛专设的气象台全归外国人所有,外国人几乎完全把持了我国的气象事业。竺可桢对这种侵权行为极为愤慨,一心要建立和发展中国自己的气象事业。他对筹建气象研究所倾注了极大的热情,对所址选定、建筑布局、道路及引水工程、仪器设备和图书购置等,无不亲自精心筹划,在经费、人员严重不足的情况下艰苦经营,只一年时间,一座设备先进、完备的气象台就建成了。自1930年元旦起,我国有了自己发布的天气预报和台风警报。

研究气候与农业生产的关系,为国民经济建设服务,是竺可桢毕生的目标。他早在1922年发表的《气象与农业之关系》一文,可说是我国最早的农业气候论文。1936年他在《气候与人生及其他生物之关系》一文中,进一步论述了气候与农、林、牧业及人类各方面活动的关系,深入分析了阳光、温度和质量等因素对植物(包括各种农作物)的影响。

1936年4月到1949年,竺可桢就任浙江大学校长。由于他办学思想明确,措施有力,浙江大学在学术上跃为蜚声中外的高等学府。新中国成立后,竺可桢出任中国科学院副院长,先后参与创立了海洋研究所、自然科学史研究室、冰川冰土沙漠研究所和水土保持研究所以及一系列以不同景观类型为研究对象的地理研究机构。